КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ И МОЩНОСТЬ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.
КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ
И МОЩНОСТЬ АВТОМОБИЛЬНОГО
ДВИГАТЕЛЯ
Первоисточник: http://craig.back�re.ca/pages/autos/
Без претензий на авторское право текст видоизменил,
приблизив его к более понятным для европейца
единицами измерений, владелец сайта и гл. редактор
журнала «АвтоСпециалист+» Дмитрий Титаренко
Цель изучения:
После самостоятельного изучения дополнительных
материалов к Главе 37 читатель должен быть готовым:
Объяснить значение терминов мощность и крутя
щий момент
Переводить численные значения мощности, выра
женной в лошадиных силах (л.с.) в киловатты
Оперировать Традиционными единицами изме
рений, таких как фут (
), фунт-силы (
) и про
изводить перерасчет численных значений, выра
женных в этих единицах в метрические единицы
измерений.
Объяснить, сто значит термин «тяговая сила», и
на колесах автомобиля
Объяснить, что такое динамометрический стенд
и рассказать, как производятся испытания двига
теля с целью получения внешних характеристик
двигателя
Объяснить взаимосвязь мощности двигателя и
крутящего момента, формируемого на фланце ко
ленчатого вала двигателя
Продемонстрировать понимание, как передаточ
ное число коробки передач оказывает влияние на
крутящий момент и мощность, передаваемую на
Рассказать о значении передаточного числа глав
ной (финальной) передачи
Производить сравнение возможностей автомоби
лей к движению с ускорением с различными ва
риантами комплектации двигателями, коробками
передач и главной (финальной) передачей.
ПРЕДИСЛОВИЕ
О мощности двигателя и крутящем моменте говорят
многие, но мало кто четко понимает, что означают
эти два параметра, характеризующие потенциальные
разораться, как эти величины влияют на возможность
автомобиля быстро разгоняться, и как эти величины
влияют на возможность автомобиля буксировать при
Знаменитый американский автомобильный инженер
и талантливый гонщик Кэрролл Шелби однажды из
рек глубокомысленную фразу:
«Лошадиные силы продают автомобили, а крутя
щий момент выигрывает гонки»
Предлагаю разобраться, насколько правдиво это изре
Часть 1: МОЩНОСТЬ ДВИГАТЕЛЯ
Скорее всего, Вы не раз слышали о лошадиных силах.
Журналы и телевидение упоминают это, люди в раз
говорах об автомобилях обмениваются этим опреде
лением, и даже на газонокосилках красуется наклейка
с числом «лошадок», спрятанных внутри них. Но что
такое мощность, и каким образом термин «лошади
ная сила» характеризует производительность автомо
В этой части статьи Вы узнаете, что же такое лоша
которую может выполнить автомобиль, наделенный
большим или малым количеством лошадиных сил.
Поскольку публикация этой статьи рассчитана на
самостоятельное изучение во время выполнения до
машнего задания, стиль изложения – популярный, не
сильно обремененный требованиями стандартов. Ну
мерация приведенных рисунков показывает:
– са
мостоятельная работа; 37 – номер главы в учебнике
ремонт». Главы этого учебника помещены на этом
сайте в разделе «Колледж» >> «Техник механик».
Термин «
Лошадиные силы
» был введен Джеймсом
Ваттом (Уаттом). Талантливый инженер Джеймс Ватт
(1736…1819) был хорошо известен в научных кругах
того времени за свою работу, направленную на повы
шение эффективности парового двигателя. Мы часто
упоминаем фамилию Ватта, когда говорим о лампоч
ках, или усилителях звуковой аппаратуры.
История гласит, что Ватт работал на угольной шах
те, используя лошадей в качестве тягловой силы для
подъема угля, и задался целью сравнения возможно
стей лошадей к этой изнурительной работе.
Рисунок СР37-01: Джеймс Ватт высчитал, что
мощность одной лошади составляет 33000 фун
тов-силы-фута; источник:
craig.back�re
Он высчитал, что одна лошадка может за минуту вы
полнить 22000 фут-фунт-силы работы за одну минуту
(0,0082855×60 0,497133 кВт-ч). Ватт увеличил эту
силу на 50% и получил 33000 фут-фунт-силы работы
за одну минуту (0,7456995 кВт-ч), которую и привя
зал к потенциальной возможности одной лошадки к
работе.
– единица измерения массы и веса принятая в
Великобритании, Соединенных Штатах Америки и
других странах содружества наций (Британского со
дружества). Слово фунт пришло из латыни (
– означает вес). Сокращение lb, принятое для обозна
чения фунта, также произошло от латинского слова
(в переводе – весы), которым обозначали меру
веса, аналогичную фунту в древнем Риме.
Одна тонна (
), согласно Британской системе
мер это 2240 фунтов, тонна по-американски – 2000
фунтов. Чтобы отличать от американских Британ
ские центнер и тонну принято называть длинными
long ton, long hundredweight
), американские аналоги
получили название коротких (
short ton, short hundred
22000 фунтов равно 9979 килограмм.
(англ.
— ступня) – единица измерения рас
стояния в американской традиционной системе мер
и равная точно 1200⁄3937 метра 0,3048 метра.
Фут-фунт
или
фут-фут-сила
— традиционная аме
риканская и британская единица механической рабо
ты и энергии, приблизительно равная 1,36 джоуля в
единицах СИ. Это работа, выполненная силой в один
фунт-сила по перемещению тела на расстояние один
фут.
Работа в 22000 фунт-фут-силы (
) числено равно
работе 3041,6 килограмм-сила-метр,
29828 нью
тон-метр 29828 джоулей.
33000 фунт-фут-силы числено равно 44742 джоулей.
Единица измерения работы и энергии, а также коли
чества теплоты в Международной системе единиц
(СИ) – джоуль (Дж). Джоуль (Дж) равен работе,
совершаемой при перемещении точки приложения
силы, равной одному ньютону, на расстояние одного
метра в направлении действия силы/
Часто используются и другие единицы измерения,
такие как киловатт-часы или килокалории.
33000 фут-фунт-силы за одну минуту численно равно
0,7456995 кВт-ч.
Лошадиная сила – внесистемная единица измерения,
которая проделала свой путь через века, и сегодня
применяется при описании возможностей Вашего
автомобиля, газонокосилки, Вашей цепной пилы и
даже, в некоторых случаях, пылесоса.
Лошадиная сила означает: по Джеймсу Ватту – одна
лошадь может произвести 33000 фут-фунт-силы в ми
нуту.
Представьте себе лошадь, показанную на рисунке
СР37-01, которая поднимает уголь из шахты.
Лошадь, мощностью 1 лошадиная сила, может под
нять на 100 футов (на 30,5 метров) 330 фунтов (149,7
кг) угля за 1 минуту, или 33 фунтов (14,97 кг) угля на
1000 футов (305 метров) за 1 минуту, или 1000 фунтов
(453,59 кг) на 33 фута (10,6 метров) за 1 минуту.
Вы можете составить любую комбинацию футов и
фунтов силы, или килограммов и метров, какая Вам
понравится, но произведение этих величин должно
быть 33000 фут-фунт-силы, или 4562,42 килограмм-
силы-метр, причем эта работа должна быть выполне
на за 1 минуту. Конечно же, Вы не должны загружать
33000 фунтов (около 15 тонн) угля в бадью, и заста
вить лошадь переместить этот груз на 1 фут (0,305
метров) в минуту, потому что никакая лошадь не смо
жет сдвинуть с места такой большой груз. Столь же
невероятно предположить, что лошадь переместит 1
фунт (0,450 кг) угля в ведре со скоростью 33000 футов
(10058,4 метров) в минуту, поскольку это выливает
ся в 375 миль в час (603,5 км/ч), а лошадь не может
бежать так быстро. Однако, если Вы хорошо знако
мы с предметом Физика, в частности, возможностью
использования неподвижных и подвижных блоков,
Вы легко сможете спроектировать блочную систему
даже для самых невероятных вариантов очень тяже
лых грузов, или очень резвых лошадок. В принципе,
шахты могут быть очень глубокими, и, не применяя
блочную систему, вынуть бадью с углем из такой шах
ты было бы затруднительно. Но для того мы учим, а
Вы учитесь, чтобы смочь с помощью технических
средств, в частности блочной системы, создать ком
фортные условия подъема посильного груза на необ
ходимое расстояние.
Лошадиная сила может быть преобразована в другие
единицы измерений.
Например:
Одна лошадиная сила эквивалентна 746 ваттам.
Поэтому, если Вы получили в распоряжение одну
лошадиную силу в виде живой лошади, и отпра
вили её на беговую дорожку ипподрома, она смо
жет непрерывно производить мощность, которая
эквивалентна электрической энергии, вырабаты
ваемой генератором, мощностью
ватт
(0,746
киловатт
Если 1 лошадиная сила эквивалентна 0,746 кило
ваттам, то можно представить, что электрический
нагреватель сможет выдать тепловую энергию
656,92 килокалорий за 1 час. Этой тепловой энер
гии хватит для того, чтобы нагреть 190 граммов
воды за 1 минуту с 20°
до 100°
(от комнатной
температуры до температуры кипения).
Приведенный пример нагрева воды справедлив при
100% КПД тепловой установки, то есть вся тепло
та была передана воде.
КАК ИЗМЕРИТЬ МОЩНОСТЬ?
Если Вы хотите узнать мощность двигателя, его не
обходимо подключить к динамометрическому стенду.
Динамометр создает нагрузку на двигатель и измеря
ет мощность, которую может развить двигатель, вос
принимающий нагрузку.
Крутящий момент
Представьте, что у Вас большой торцевой гаечный
ключ с 2-метровой рукояткой, и Вы прилагаете 10
кг силы к 2 метровой рукоятке. То же самое Вы сде
лаете, прилагая крутящий момент, или вращающую
силу 20 килограммометров (10 кг-силы к 2-метровой
рукоятке) к головке болта. Поскольку мы привыкли
крутящий момент выражать в ньютон-метрах, пе
ресчитаем наш пример: пусть 10 кг силы (98,0665
ньютон) прилагаются к 1-метровой рукоятке, что
равносильно крутящему моменту примерно равному
98 ньютон-метров.
Вы смогли бы получить те же 98 ньютон-метров
крутящего момента путем приложения 1 ньютона к
98 метровой рукоятке или, что более реально, прило
жить силу 326,67 ньютон к концу 30 сантиметровой
рукоятки.
По аналогии, если вы приложите к гайке крепления
шкива, установленного на переднем удлинителе ко
ленчатого вала, крутящий момент, то Вы сможе
те вращать коленчатый вал. Точно так же поршни
двигателя через шатуны прилагают к кривошипам
коленчатого вала вращающую силу, которая отбира
ется с коленчатого вала двигателя в виде крутяще
го момента. Динамометр
измеряет
этот
крутящий
момент
Поскольку мощность – способность производить
работу в единицу времени, крутящий момент, полу
чаемый с коленчатого вала двигателя, следует ум
ножить на угловую скорость вращения коленчатого
вала. Напоминаю, что угловая скорость измеряется
в радианах в секунду. Если длина окружности равна
, то 1 оборот в минуту будет равен 2π/60 радиа
нам в секунду.
А теперь пробуем подчитать мощность двигателя,
коленчатый вал которого вращается со скоростью
1000 оборотов в минуту, и с коленчатого вала можно
снять крутящий момент 98 ньютон-метр.
1000 оборотов в минуту 1000/60 оборотов в се
кунду 16,667 оборотов в секунду, или 16,667×2π
104,72 радиана в секунду.
Умножив 104,72 на 98, получим 10269 ватт, или
10,269 киловатт.
Если удвоить скорость вращения коленчатого вала
двигателя, оставив тот же самый крутящий мо
мент, то удвоится и мощность двигателя.
Вы можете получить представление о том, как ра
ботает динамометр, рассмотрев следующий пример:
представьте, что вы запускаете двигатель автомобиля,
поставив КПП в нейтральное положение, и нажима
ете педаль акселератора в пол. Ничем не сдерживае
мый коленчатый вал двигатель будет раскручиваться с
ускорением, и если не сработает электронная отсечка
топливоподачи, двигатель попросту взорвется. Это
не тот результат, которого мы ожидаем, поэтому к ко
ленчатому валу двигателя подключают динамометр,
который прилагает нагрузку, позволяя двигателю при
положении педали газа в пол, достигать различных
оборотов.
Вы можете подключить динамометр, и, вжав пе
даль газа в пол, подать на коленчатый вал двигате
ля нагрузку, которая удержит двигатель, скажем,
на 7000 оборотах в минуту. Запишите, при какой
нагрузке двигатель способен удерживать эти обо
роты.
Затем Вы приложите дополнительную нагрузку,
и двигатель снизит обороты, например, до 6500
оборотов в минуту, и Вам вновь предстоит запи
сать этот новый уровень нагрузки.
Следующим шагом Вы добавите очередную пор
цию нагрузки, которая снизит обороты до 6000, и
далее в том же духе.
И так Вы должны добавлять нагрузку, чтобы обо
роты снижались с шагом в 500 оборотов в минуту,
пока ни достигните уровня 1000 оборотов в ми
нуту, а затем, постепенно снижая нагрузку, проде
лать тот же путь вверх, повышая обороты к исход
ным 7000 оборотам в минуту (мин
После завершения испытаний нагрузкой Вы должны
будете пересчитать полученные результаты нагрузки
в мощность, применив следующую формулу:
Рисунок СР37-02: По этой формуле
можно высчитать мощность двигателя,
выраженную в киловаттах, зная вели
чину крутящего момента, и обороты
двигателя, на которых сформирован
этот крутящий момент
О том, откуда взялось число 9549 мы расскажем
чуть позже, во второй части этой статьи.
ГРАФИЧЕСКОЕ ОТОБРАЖЕНИЕ МОЩНОСТИ
Если Вы отобразите на листе бумаги графическую
зависимость расчетных значений мощности от числа
оборотов коленчатого вала двигателя, у Вас получит
ся кривая, которая называется внешней мощностной
характеристикой двигателя.
График зависимости мощности от скорости враще
ния коленчатого вала назван внешней характеристи
кой двигателя потому, что в нашем распоряжении
находится любое значение мощности, лежащее под
графической кривой мощности, а вот получить зна
чение выше кривой мощности не удастся, то есть
кривая мощности указывает предельную внешнюю
нагрузку, которую может «потянуть» двигатель на
данной скорости вращения коленчатого вала.
Типичная кривая мощности высокопроизводитель
ного двигателя может выглядеть так, как это отобра
жено графической кривой внешней характеристики
300-сильного двигателя
3000 Твин-турбо:
Рисунок
37-03: Графическое отражение резуль
татов испытаний двигателя
3000
Twin
Turbo
; источник:
craig.back�re
На графике внешних характеристик двигателя отобра
жены точки, соответствующие нагрузке в виде крутя
щего момента, формируемого двигателем, и пиковая
мощность для каждой из частот вращения коленчато
го вала испытуемого двигателя. Здесь же можно уви
деть, что испытуемый двигатель имеет максимальное
значение крутящего момента на определенной скоро
сти вращения коленчатого вала двигателя.
Читателям популярных автомобильных журналов
технические характеристики двигателя чаще всего
представлены в таком виде: «320 л.с. при 6500 мин
Когда Вы слышите фразу «Низкооборотный крутя
щий момент» это значит, что пик крутящего момента,
создаваемого двигателем, лежит в пределах от 2000
до 3000 оборотов в минуту.
В ряде публикаций Вы можете увидеть графическое
отображение мощности и крутящего момента, где Вы
легко отыщите количество оборотов, при которых
двигатель развивает максимальную мощность или
максимальный крутящий момент.
При попытке быстро разогнать автомобиль, Вы буде
те удерживать обороты двигателя близкими к тем, где
кривая мощности показывает пиковое значение. При
попытке совершить обгон часто прибегают к пере
ключению передач на одну ступень вниз, что позво
лит двигателю оказаться в зоне оборотов, соответст
вующих максимальной мощности. Если же Вы хотите
оказаться первым после включения разрешающего
сигнала светофора, Вы разгоняете двигатель до обо
ротов, близким к пиковой мощности, и затем, исполь
зуя сцепление, постараетесь подвести максимальную
тяговую силу к ведущим колесам автомобиля.
МОЩНОСТЬ ВЫСОКОПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ
АВТОМОБИЛЕЙ
Автомобиль считается высокопроизводительным,
если отношение его мощности к весу высоко. Не
сомненно, чем больше вес автомобиля, тем большую
мощность потребуется подвести к ведущим колесам,
чтобы разогнать автомобиль. Чтобы сделать ускоре
ние как можно большим, необходимо, не меняя мощ
ности, уменьшить вес автомобиля.
В таблице СР37-1 для сравнения приведены техни
ческие характеристики некоторых высокопроизводи
тельных автомобилей, и одного маломощного автомо
биля для сравнения. Вашему вниманию будет пред
ставлены: пиковая мощность двигателя, вес автомо
биля и отношение мощности к весу (сколько лошади
ных сил приходится на единицу веса), а также время
разгона от 0 до 100 км/ч. Для сравнения представлены
и приблизительные цены автомобилей.
Вы сможете увидеть определенную зависимость меж
ду мощностью и разгоном от 0 до 100 км/ч, и в подав
ляющем большинстве случаев большая мощность со
путствует быстрому разгону автомобиля. Интересно
отметить, что соотношение между скоростью и ценой
не столь очевидно. Так
Viper
в этой таблице вы
глядит, как очень привлекательное вложение денег в
Если Вы хотите получить быстрый автомобиль, Вам
надо найти наилучшее отношение мощности к весу.
Это значит, что Вам потребуется автомобиль, наде
ленный максимальной мощностью при минимальном
весе.
Часть 2: КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ
ПРЕДИСЛОВИЕ
Прежде всего, оговорим некоторые допущения, кото
рыми мы будем оперировать в поисках истины.
1. Дорожное покрытие не оказывает существенного
сопротивления движению автомобиля.
2. Автомобиль не испытывает какого-либо аэродина
мического сопротивления.
3. Автомобиль движется по ровной плоской поверх
ности
4. В трансмиссии автомобиля отсутствуют механиче
ские и гидравлические потери, то есть трансмиссия
автомобиля – идеальна.
5. Транспортное средство постоянно находится в дви
жении, то есть его скорость ни в какой момент време
ни не является нулевой.
6. Переключение передач происходит моментально.
7. Дроссельная заслонка автомобильного двигателя
всегда открыта на 100%
8. Двигатель автомобиля – атмосферный, то есть, не
оснащен ни механическим, ни газотурбинным надду
вом.
Очевидно, что ни одно из этих допущений невозмож
но в условиях реального движения (за исключением
Таблица СР37-1: Относительные сведения об некоторых автомобилях
Мощность в
Вес
мощности к
весу
Разгон от 0
(секунд)
Dodge Viper
0.115
Chevrolet Corvette
Porsche Carrera
Twin-Turbo
Ford Escort
110
восьмого пункта), но эти допущения позволят упро
стить понимание многих аспектов движения автомо
Мощность двигателя будем измерять в лошадиных си
лах, но параллельно проведем расчеты и в условиях,
когда мощность двигателя измеряется в киловаттах.
Крутящий момент будем измерять в фунтах-силы-фу
тах, и параллельно будем проводить расчеты, когда
крутящий момент будет измеряться в ньютон-метрах.
КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ
Крутящий момент – это сила, которая пытается вра
щать объект. Сила, прилагаемая к объекту на каком-
либо расстоянии от его центра масс, будет стремиться
вращать объект вокруг его оси. Это легко увидеть в
реальной жизни.
Если гаечный ключ надеть на головку болта, и к концу
рукоятки гаечного ключа приложить силу, болт нач
нет вращаться.
Если же тяговое усилие приложить непосредственно
к головке болта, то он не будет вращаться, потому что
вектор силы будет проходить через ось вращения бол
та.
Величина крутящего момента определяется произве
дением величины прилагаемого усилия на расстоя
ние, определяемое перпендикуляром, построенным к
вектору прилагаемой силы.
Рисунок СР37-04: Диаграмма, поясняющая сущность понятия
«Крутящий момент»; источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-05: Крутящий момент может
быть реализован через силу тяги, прилагаемую
к точке контакта колеса с дорожным полотном;
источник:
craig.back�re
Крутящий момент может быть использован для созда
ния тяговой силы, прилагаемой на расстоянии, как это
показано на рисунке СР37-04. На автомобиле крутя
щий момент, передаваемый на колесо, формирует тя
говую силу, приложенную в точке контакта колеса с
дорожным покрытием.
Рисунок СР37-05: Крутящий момент может быть реализо
ван через силу тяги, прилагаемую к точке контакта колеса с
дорожным полотном; источник:
craig.back�re
РАБОТА.
Работа – это не совсем то, о чем обычно говорят, ког
да речь идет об автомобилях. Работа определяется как
передача энергии от одной системы к другой, напри
мер, человек везет тележку.
Математически, работа – это произведение силы на
расстояние, исходя из этого, единицей измерения ра
боты является такая мера, как ньютон-метр или фунт-
силы-фут.
Направление силы (или, по крайней мере, направле
ние её составляющей) должно совпадать с направле
нием движения объекта, тогда можно говорить о про
деланной положительной работе.
Если же прилагаемая сила не вызывает движения объ
екта, работа считается нулевой.
Если к движущемуся объекту приложить силу, вектор
которой направлен в противоположном движению
направлению, то эта сила будет вызывать замедление
скорости движения, и, можно сказать, что прилагае
мая (тормозящая) сила вызвала появление отрица
тельной работы.
Рисунок СР37-06: Работа, прилагаемая к объ
екту, выражается произведением силы на рас
стояние; источник:
craig.back�re
РАЗЛИЧИЕ МЕЖДУ КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ
И РАБОТОЙ
Обратите внимание, что единицы измерения крутя
щего момента и работы отображаются произведением
силы на расстояние, но крутящий момент и работа –
это две разные вещи.
Крутящий момент выражается в виде силы, которая
стремится вызвать вращение объекта, и это означает,
что крутящий момент не вынуждает объект совершать
прямолинейного движения по направлению приложе
Работа является мерой передачи энергии между сис
темами, которая может ( а в ряде случаев и не может)
быть получена с помощью силы тяги, сформирован
ной крутящим моментом.
Рисунок СР37-07: Различие между крутящим
моментом и работой выражается видом пере
мещения объекта; источник:
craig.back�re
На крутящемся валу работа выполняется силой,
сформированной крутящим моментом.
Крутящий момент – это сила, вынуждающая объект
совершать вращение, а вал совершает вращательное
движение.
Тяговая сила может быть получена в любой точке
вращающегося колеса, и если колесо при его враще
нии будет находиться в контакте с дорожным полот
ном, и сила сцепления между поверхностью дороги
и опорной поверхностью колеса не позволит колесу
проскальзывать, крутящий момент, подаваемый на
ведущий вал колеса, сформирует работу по линей
ному перемещению колеса, или ведущего вала вдоль
Рисунок СР37-08: На вращающемся валу
крутящий момент и есть выполняемая ра
бота; источник:
craig.back�re
МОЩНОСТЬ
Мощность – это количество работы, которая может
быть сделана за определенный промежуток времени,
или «скорость работы», или «скорость передачи энер
гии между системами».
Формула для расчёта мощности приведена ниже:
Рисунок СР37-09: Мощность – это про
дукт произведения силы на расстояние
за отчетный период времени.
Вышеприведенное уравнение может быть переписа
но с акцентированием внимания на такие понятия,
как «Сила» и «Скорость».
Рисунок СР37-10: Используя определе
ние скорости можно выразить мощность
через силу и скорость.
МОЩНОСТЬ НА ВАЛУ
На вращающемся валу усилие, формируемое крутя
щим моментом, выполняет работу. Скорость, с кото
рой будет производиться работа, зависит от скорости
вращения вала. Следовательно, количество энергии,
которая вращает вал, продуцирует скорость вращения
вала и крутящий момент на валу.
Используя произвольные единицы, выразим формулу
мощности через скорость вращения вала:
Рисунок СР37-11: Мощность на валу,
выраженная в произвольных единицах;
источник:
craig.back�re
ЕДИНИЦЫ МОЩНОСТИ НА ВАЛУ
При использовании фунты-силы-футы в качестве еди
ниц крутящего момента, обороты в минуту (об/мин)
для выражения скорости вращения, и лошадиные
силы для выражения мощности, мощность на валу
может быть выражена следующей формулой:
Рисунок СР37-12: Отображение мощности в
лошадиных силах через крутящий момент в
фунтах-силы-футах и скорость вращения в
оборотах в минуту; источник:
craig.back�re
Приведенная выше формула часто вызывает оши
бочное представление, что мощность, выраженная в
лошадиных силах, и крутящий момент, выраженный
в фунтах-силы-футах, равны между собой при скоро
сти вращения 5252 оборота в минуту.
Рисунок СР37-13: Если внешняя характеристи
ка мощности отображена в лошадиных силах, а
внешняя характеристика крутящего момента ото
бражена в фунтах-силы-футах, то кривые этих па
раметров пересекаются в точке, соответствующей
скорости вращения коленчатого вала, равной 5252
оборотам в минуту. Это – частный случай, и если
мощность будет выражена в ваттах, а крутящий
момент в ньютонах-метрах, то данная зависи
мость исчезает; источник:
Это заблуждение вызвано тем, что графическая ха
рактеристика максимальной мощности двигателя,
выраженная в лошадиных силах, и графическая ха
рактеристика крутящего момента на фланце коленча
того вала, выраженная в фунтах-силы-футах, пересе
кается в точке, соответствующей скорости вращения
5252 оборота в минуту.
Графики крутящего момента и мощности могут пе
ресекаться как в точке, соответствующей оборотам
ниже 5252, так и в точке, лежащей выше этих оборо
тов. Многие дизельные двигатели, а также двигатели,
работающие на газообразном топливе, не способны
достичь скорости вращения коленчатого вала 5252
оборотов в минуту.
Рисунок СР37-14: Скорость вращения 5252
не является существенным моментом в
физическом смысле. Это просто скорость, при
которой график крутящего момента в фунтах-
силы-футах и мощность в лошадиных силах
будет пересекаться, когда они нарисованы на
одном листе бумаги в одном масштабе. Если
будут использоваться иные единицы изме
рений, графики кривых перекочевали бы в
другую область, но принцип графического
отображения внешних характеристик двига
теля останется неизменным; источник:
back�re
Ошибочность выведенной зависимости может быть
доказана путем изменения единиц измерения.
В европейских странах и в большинстве азиатских
стран мощность двигателя часто отображается в ки
ловаттах, а крутящий момент – в ньютон-метрах.
В этом случае формула расчета мощности на валу
приобретает следующий вид:
Рисунок СР37-15: Отображение мощности на валу
через единицы Международной системы единиц
измерений (СИ); источник:
craig.back�re
Используя метрические единицы измерений, в
формуле появляется иная константа 9549 вместо
константы 5252, которая рождалась при использовании
Американских и английских традиционных мер.
Исходя из приведенного выше утверждения, графики
мощности и крутящего момента должны будут
пересечься в точке, соответствующей скорости
вращения коленчатого вала 9549 оборотов в
минуту. Однако практика исследований внешних
характеристик различных двигателей показывает, что
эта зависимость не выполняется.
ЗУБЧАТЫЕ КОЛЕСА (ШЕСТЕРНИ)
Зубчатые колеса, или в просторечье – шестерни, ис
пользуются для изменения крутящего момента и ско
рости вращения деталей системы вращающихся ва
лов, или для изменения направления передаваемого
движения. Примером первого могут служить переда
чи переднего хода, а примером последнего – шестер
ни задней передачи автомобиля.
Идеальный комплект шестерён передает такое коли
чество мощности на выходной вал, какое количество
мощности он получил от входного вала, то есть, про
изводит передачу движения без потерь мощности.
Если коробка передач имеет передаточное отношение
2:1, ведомый вал будет вращаться в два раза медлен
нее входного вала, но с ведомого вала можно будет
снять удвоенный крутящий момент.
На нижеприведенном рисунке демонстрируется эф
фект применения зубчатых передач с использованием
произвольных передаточных отношений.
Рисунок СР37-16: Коробка передач передает
ся определенное количество энергии в виде
крутящего момента и оборотов. Она передает
равное количество мощности, при изменении
скорости вращения и крутящего момента, ре
гулируемого в соответствии с передаточным
отношением; источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-17: Формулы, используемые при опре
делении выходных параметров зубчатых передач;
источник.
Интересно отметить, что зубчатая передача и электри
ческие трансформаторы имеют много общего. Зубча
тые колеса изменяют крутящий момент и скорость,
в то время как трансформаторы изменяют величину
напряжения и силу тока. Оба устройства, и зубчатые
передачи, и трансформаторы отдают столько энергии,
сколько они получают. Автомобильная аккумулятор
ная батарея вырабатывает 12-вольтовое напряжение и
ток большой силы, но свечи зажигания нуждаются в
напряжении до 50000 вольт и в очень маленьком токе.
Катушки зажигания, которая является трансформа
тором, избыточный ток от аккумуляторной батареи
преобразуют в высокое напряжение, необходимое для
пробоя искрового промежутка свечи зажигания.
ПРЕОБРАЗОВАНИЯ В ТРАНСМИССИИ
Автомобильная трансмиссия использует несколько
наборов зубчатых передачи, необходимых для управ
ления скоростью вращения ведущих колес и величи
ной крутящего момента, передаваемого от двигате
ля к ведущим колесам автомобиля. Все бензиновые
поршневые двигатели производят слишком мало кру
тящего момента и слишком много оборотов, чтобы
вращать ведущие колеса типичного дорожного авто
мобиля с необходимой скоростью.
Автомобильные шины размером 27 дюймов (686 мм),
при вращении со скоростью 6000 оборотов в минуту
должны катить автомобиль со скоростью 725 км/час
Тяговая сила на колесах размером 27 дюймов соста
вит несколько сотен ньютонов, которых не хватит,
чтобы стронуть с места автомобиль, даже без пасса
жиров. Именно это заставляет все автомобили осна
щать трансмиссией, которая являются установкой для
снижения скорости вращения и увеличения крутяще
го момента. Большинство автомобилей оснащаются
двумя наборами зубчатых передач, установленных
между двигателем и ведущими колесами.
Первое устройство – это коробка передач, которая
увеличивает передаваемый к колесам крутящий мо
мент в несколько раз, в зависимости от того, какой на
бор зубчатых колес введены водителем в зацепление.
Как правило, первая передача имеет передаточное
число 3:1, в то время как наивысшая передача имеет
передаточное число 0,8:1
Рисунок СР37-18: Трансмиссия автомобиля осна
щена коробкой передач и главной (финальной)
передачей для регулировки крутящего момента
двигателя и оборотов, необходимых для ускоре
ния автомобиля; источник:
craig.back�re
Кроме коробки передач в автомобиле имеется ещё
один набор шестерен с передаточным отношением от
2,5:1 до 6,0:1 в зависимости от назначения автомоби
Причина установки в автомобиле трансмиссии с не
сколькими вариантами передаточных числе состоит
в том, чтобы удержать автомобильный двигатель в
диапазоне рабочих скоростей вращения коленчатого
вала, даже в случае разгона автомобиля до скорости
Первая передача предоставляет возможность самого
быстрого ускорения автомобиля, поскольку передает
к колесам максимально возможный крутящий момент,
но скорость движения автомобиля на первой передаче
ограничена максимальной скоростью вращения ко
ленчатого вала двигателя.
На второй передаче возможность разгоне меньшая, но
максимальная скорость движения автомобиля на этой
передаче выше, чем на первой передаче.
Такая тенденция сохраняется при включении каждой
последующей передаче в трансмиссии.
УСКОРЕНИЕ АВТОМОБИЛЯ
Второй закон Ньютона гласит, что ускорение тела
прямо пропорционально прилагаемой силе и обратно
пропорционально массе этого тела.
Рисунок СР37-21: Согласно второму за
кону Ньютона, ускорение автомобиля
будет зависеть не только от силы тяги,
формируемой к точке контакта шины
с дорогой, но и от массы автомобиля;
источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-19: Крутящий момент и скорость на колесах зависит от крутящего
момента и скорости двигателя, а также от передаточного числа узлов трансмис
сии, расположенных между ними; источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-20: Каждая пара зубчатых колес в коробке
передач позволяет получить различные ускорения и ско
рости. Сочетание скорости и ускорения обеспечивается
крутящим моментом и мощностью двигателя; источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-22: Колеса получают крутя
щий момент и скорость вращения от дви
гателя, и прилагают тяговое усилие к до
рожному покрытию. Именно это усилие,
или тяговая сила, разгоняет автомобиль.
Скорость автомобиля напрямую связа
на скорость вращения колеса; источник:
craig.back�re
Для того, чтобы получить ускорение, тяговая сила
должна быть приложена в том же направлении и с
той же скоростью, какая имеется в наличии в момент
придания ускорения. Сила, прилагаемая к объекту с
определенной скоростью и в течение определенного
времени – и есть мощность, однако сила, вызываю
щая ускорение движущегося объекта, определяется
мощностью, прилагаемой к объекту на его скорости
движения.
Рисунок СР37-23: Ускорение движу
щегося объекта равно подведенной
мощности, поделенной на массу объ
екта и его скорость. Произведение
массы на скорость называется коли
чеством движений; источник:
back�re
Тяговая сила, вызывающая ускорение, действует со
стороны колеса на дорожное покрытие, и эта сила
формируется крутящим моментом на колесе. Вот
почему тяговая сила, вызывающая ускорение, часто
вычисляется через крутящий момент, создаваемый
двигателем, и трансформируемая через коробку пере
дач, главную передачу и колесами, как это показано в
формуле, приведенной ниже.
Мы будем ссылаться на этот метод расчета силы тяги,
вызывающей ускорение, как
метод крутящего мо
мента
Если известна скорость движения автомобиля и мощ
ность его двигателя, развиваемая в конкретный мо
мент ускорения, то тяговую силу можно рассчитать,
ничего не зная о передаточном числе трансмиссии,
главной передачи и диаметре колеса, и даже крутяще
го момента, создаваемого двигателем.
Мы будем ссылаться на этот метод расчёта ускоре
ния, как на
мощностной метод.
Рисунок СР37-24: Тяговая сила может быть рассчитана через величину крутящего момента, со
здаваемого двигателем, его изменением в коробке передач и главной передаче, с учетом радиуса
колеса, опирающегося на дорогу; источник:
craig.back�re
Вашему вниманию предложена формула мощностно
го метода с использованием американских и англий
ских традиционных мер измерений.
И метод крутящего момента и мощностной метод оба
дают одинаковые результаты, как это показано ниже.
ЗАДАЧА:
Определить тяговую силу, вызывающую ускорение,
для автомобиля, технические характеристики которо
го приведены ниже.
Мощность двигателя:
Крутящий момент;
Передаточное число КПП;
Передаточное число гл. передачи:
Динамический радиус колеса:
Скорость движения
70 миль/ч 111 км/ч
Рисунок СР37-25: Если известны мощность и скорость, силу тяги, вызывающую ускорение, можно
рассчитать напрямую, ничего не зная о передаточных числах коробки передач и главной передачи. В
этом примере приведен вывод формулы для американских и английских традиционных мер.
Рисунок СР37-26: Здесь приведен вывод формулы и расчет коэффициента для прямого определения
силы тяги через мощность и скорость, но в привычных для нас единицах измерений. Вывод формулы
для метрических единиц предлагаем сделать самостоятельно.
НЕСКОЛЬКО ПРОСТЫХ ПРИМЕРОВ
Чтобы продемонстрировать влияние мощности и кру
тящего момента предлагаем на один и тот же автомо
биль условно установить три разных двигателя. Ско
рость автомобиля при трех различных тестах возьмем
одинаковую, поскольку нас интересует тяговая сила,
которая вызывает движение автомобиля с ускорени
Рисунок СР37-28: Схематическое изображение авто
мобиля, который будет взят для примера; источник:
craig.back�re
Оснастим условный автомобиль шинами диаме
тром 610 мм, и примем радиус колеса равный 305
мм (0,305 метра)
Колеса будут вращаться со скоростью 500 оборо
тов в минуту (мин
), это значит, что автомобиль
будет двигаться со скоростью 57,5 км/ч.
В коробке передач будет включена скорость, по
зволяющая получить передаточной число 2:1.
Главную передачу выберем с таким передаточным
отношением, чтобы колеса получили заданную
скорость вращения.
Рисунок СР37-29: Заданные условия расчета в детали
зации трансмиссии; источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-27: Расчет тяговой силы, вызывающей ускорение, на
основе метода крутящего момента и мощностного метода показывает
одинаковые результаты (небольшая погрешность связана с округлением
величин при переводе из одних единиц в другие)
Голубой двигатель работает на 2000 об / мин, произ
водя крутящий момент и делая 271 ньютон-метр, и
мощность двигателя 76 лошадиных сил.
Чтобы колеса вращались со скоростью 500 об/мин
при скорости вращения коленчатого вала двигателя
2000 об/мин, главной передаче надо назначить пере
даточное отношение 2:1.
При заданных условиях через трансмиссию на ось ко
леса будет передаваться 1084 Н-м. В точке контакта
колеса с дорогой тяговая сила будет равна 1777 нью
тон.
Рисунок СР37-30: Голубой двигатель мощностью 76 ло
шадиных сил, способен сформировать тяговую силу на
колесе 1777 ньютон; источник:
craig.back�re
Зеленый двигатель способен выдать крутящий мо
мент 135,5 ньютон-метр при скорости вращения ко
ленчатого вала 4000 оборотов в минуту, и мощностью
на этой частоте вращения 76 лошадиных сил. Хотя
обороты зеленого двигателя в два раза превышают
обороты голубого двигателя, он способен сформиро
вать вдвое меньший крутящий момент.
Рисунок СР37-31: Зеленый двигатель мощностью 76 ло
шадиных сил способен сформировать тяговую силу на
колесе 1777 ньютон-метр, но только при передаточном
числе главной передачи 4:1; источник:
craig.back�re
Главной передаче придется назначить передаточное
число 4:1, чтобы при 4000 оборотах коленчатого вала
колеса вращались с заданной скоростью 500 оборотов
в минуту.
С помощью этого двигателя тяговую силу на колесе,
равную тяговой силе автомобиля с синим двигателем,
удалось получить при передаточном числе главной
передачи 4:1.
Красный двигатель способен сформировать крутящий
момент 271 ньютон-метр при 4000 оборотах в минуту,
и на этой скорости вращения красный двигатель вы
Красный двигатель формирует такой же крутящий
момент, как и синий двигатель, но на частоте враще
ния, как у зеленого двигателя.
Главной передаче придется назначить передаточное
число 4:1, чтобы при 4000 оборотах коленчатого вала
колеса вращались с заданной скоростью
оборотов
минуту
Рисунок СР37-32: Красный двигатель, мощностью 152
лошадиные силы, способен обеспечить в два раза боль
шую тяговую силу на колесе автомобиля; источник:
craig.back�re
Из представленных выше расчетов видно, что са
мый мощный (красный) двигатель обеспечил самую
большую тяговую силу на колесе, в то время как два
остальных двигателя (синий и зеленый) смоги обес
печить в два раза меньшую тяговую силу на колесах
этих двух автомобилей, имеющих одинаковую мощ
ность двигателя. Два двигателя одинаковой мощности
имели различную величину крутящего момента, при
чем, на разных оборотах коленчатого вала двигателя,
и обороты, но силы тяги, формирующие ускорение,
благодаря измененной главной передаче сравнялись
по величине.
Вышесказанное показывает, что мощность двигателя,
независимо от того, сколько крутящего момента и на
каких оборотах он производит, определяет тяговую
силу, формирующую тяговую силу.
КРИВЫЕ МЕЩНОСТИ И ДИАПАЗОНЫ
МОЩНОСТЕЙ
Технические характеристики двигателя часто пред
ставлены в виде графиков пиковой мощности.
Хороший двигатель имеет не только высокую пико
вую мощность, но обладает достаточно большим зна
чением средней мощности в диапазоне от минималь
ных до средних частот вращения коленчатого вала.
Графическая характеристика мощности по отноше
нию к скорости вращения коленчатого вала, называет
ся внешней мощностной характеристикой двигателя.
График мощности двигателя может очень многое ска
зать о производительности двигателя во всем диапа
зоне скоростей вращения коленчатого вала двигателя.
Сравнивая внешние скоростные характеристики дви
гателя можно констатировать следующее: один дви
гатель может иметь высокое среднее значение мощ
ности в широком диапазоне скоростей вращения, в
то время как второй двигатель имеет высокое пико
вое значение мощности при узком диапазоне средних
значений, которые оказываются ниже, чем у первого
двигателя.
Диапазон мощностей – это доступные мощностные
характеристики двигателя в диапазоне скоростей вра
щения коленчатого вала. Графически это отражается
площадью фигуры, ограниченной кривой мощности,
минимальной и максимальной частотами вращения.
Например, выходную мощность величиной 400 лоша
диных сил у 500-сильного двигателя можно получить
в 80-процентном диапазоне скоростей вращения ко
ленчатого вала.
Широкий диапазон мощности предусматривает высо
кую среднюю мощность, рассчитанную по всем обо
ротам двигателя
Диапазон мощностей может быть предсказан, как ши
рокий или узкий, полагаясь на определенные характе
ристики двигателя и его оснащение.
Некоторые примеры мы сведем в таблицу.
Таблица СР37-2: Диапазоны мощностей двигателя могут быть предсказаны, в том смысле, является ли диапа
зон широким или узким, основываясь на определенных характеристиках и оснащении двигателя, хотя есть и
множество исключений.
Широкий диапазон мощностей
Узкий диапазон мощностей
Большой рабочий объем
Малый рабочий объем
Высокий крутящий момент
Низкий крутящий момент
Больше двух клапанов на цилиндр
Два калапана на цилиндр
Изменяемые фазы газораспределения
Нет механизма изменения фаз газораспределения
Механический или газотурбинный наддув
Атмосферный двигатель
Пиковое значение мощности и пиковое значение
крутящего момента расположены далеко друг от
друга по линии оборотов двигателя
Пиковое значение мощности и пиковое значение
крутящего момента расположены близко друг к
другу по линии оборотов двигателя.
Рисунок СР37-33: Кривая мощности двигателя 400 с
лошадиными силами выше кривой мощности двига
теля с 375 лошадиными силами. Несмотря на то, что
400-сильный двигатель имеет большую мощность,
375-сильный двигатель имеет больший диапазон
частот вращения, при которых двигатель имеет вы
сокую мощность, и на оборотах, от низких до сред
них 375-сильный двигатель имеет более высокую
мощность, чем 400-сильный двигатель. Это значит,
что 375-сильный двигатель может обеспечить луч
шие характеристики автомобилю, предназначенно
му, например, для Стрит-рейсинга; источник:
back�re
СРАВНИВАЕМ ДВА АВТОМОБИЛЯ
А теперь мы сравним два автомобиля с двумя разными
двигателями, обладающими одинаковым значением
пиковой выходной мощности, но с различными харак
теристиками мощности во всем диапазоне скоростей
двигателя. Пусть оба автомобиля имеют одинаковую
снаряженную массу, одинаковую коробку передач, ра
диус шин, и так далее. Единственной разницей между
двумя автомобилями будут двигатели.
Один автомобиль оснастим 500-сильным
-8 двигате
лем, а второй – тоже 500-сильным, но 4-цилиндровым
турбированным двигателем.
Раз уж мы выражаем мощность в «лошадках», авто
мобиль с двигателем
-8 назовем «Мерином» - тру
дягой конем, спокойным и сильным, привычным к
монотонной работе на ферме. Второй автомобиль с
4-цилиндровым двигателем назовем «Скакуном» -
резвой седловой лошадкой, которая только и может,
что бегать по ипподрому.
К автомобилям
Mercedes
слово Мерин не имеет
никакого отношения.
Двигатель Мерина можно разогнать до 6000 оборотов
в минуту, и он покажет тягу около тоны, а двигатель
«Скакуна» может развить 9000 оборотов, но крутя
щий момент этого двигателя будет меньшим.
Зададим ещё одни условия. Двигатель Мерина мо
жет устойчиво работать на 600 оборотах в минуту, в
то время как двигатель «Скакуна» не может держать
устойчивые обороты холостого хода ниже 900 мин
Ниже мы приведем графики внешних характеристик
двух наших автомобилей: график эффективной мощ
ности и график крутящего момента.
Как было сказано ранее, оба двигателя продуцируют
по 500 лошадиных сил каждый.
-8 продуцирует 500 лошадиных сил на 5000 оборо
тах в минуту, и 777 Н-м на 4250 оборотах в минуту.
-4 продуцирует 500 лошадиных сил на 8000 оборо
тах в минуту, а его крутящий момент составляет 457
Н-м при 8000 оборотах в минуту.
Рисунок СР37-35: Графические характеристики крутя
щих моментов двигателей Мерина и Скакуна были на
меренно искажены, чтобы дать Вам лучшее представле
ние о некоторых понятиях; источник:
craig.back�re
Рисунок СР37-36: Графические характеристики мощно
сти Скакуна и Мерина, вычисленные путем умножения
крутящего момента на скорость вращения коленчатого
вала каждого из двигателей; источник:
craig.back�re
Поскольку скорость вращения
-8 при максимальной
мощности значительно ниже, ему для достижения за
явленной мощности потребовался высокий крутящий
момент. В
-4 ту же мощность достиг при очень высо
ких оборотах, поэтому ему для достижения заявлен
ной мощности потребовался довольно низкий крутя
щий момент. Ниже приведем сравнение диапазонов
мощности двух 500-сильных двигателя.
Если параметры, отраженные на оси «
» Вам показа
лись необычными, или «неправдоподобными», объяс
нение тому – неочевидность прямого сравнения двух
двигателей, у которых кривые мощностей отстоять
друг от друга в горизонтальном направлении. Заметь
те, что хотя оба двигателя имеют одинаковую пико
вую мощность, но фигура, описывающая диапазон
доступных мощностей (площадь под кривой мощн
сти) у Мерина значительно шире, чем у Скакуна.
Рисунок СР37-34: К состя
занию приглашаются два
500-сильных двигателя:
-8 и
-4; источник:
craig.back�re
Возможность получить от Мерина большую мощ
ность в обширном диапазоне частот – большое преи
мущество Мерина.
Рисунок СР37-37: Сравнение мощности двух двигате
лей. Обратите вынимание, что у Мерина площадь об
ласти под кривой мощности значительно превышает
площадь области под кривой мощности Скакуна, а пло
щадь, ограниченную кривой мощности, можно назвать
энерговооруженностью, или потенциалом автомобиль
ного двигателя; источник:
craig.back�re
Если параметры, отраженные на оси «
» Вам показа
лись необычными, или «неправдоподобными», объяс
нение тому – неочевидность прямого сравнения двух
двигателей, у которых кривые мощностей отстоять
друг от друга в горизонтальном направлении. Заметь
те, что хотя оба двигателя имеют одинаковую пико
вую мощность, но фигура, описывающая диапазон
доступных мощностей (площадь под кривой мощно
сти) у Мерина значительно шире, чем у Скакуна.
Возможность получить от Мерина большую мощ
ность в обширном диапазоне частот – большое преи
мущество Мерина.
В итоге можно констатировать, что первый автомо
биль, условно названый Мерином, и оснащенный
-8 двигателем, будет быстрее второго автомобиля,
условно названного Скакуном, поскольку диапазон
мощностей у Мерина оказался шире, и средняя мощ
ность на протяжении оборотов двигателя Мерина
тоже превышает среднюю мощность Скакуна. «Вы
стрелить» Скакун во время стрит или драг-рейсинга
сможет, но вот участвовать в изнурительных гонках
с обилием торможений и разгонов – не способен. Ме
рин же напротив, предназначен для изнурительной
гонки с множеством торможений и разгонов, крутых
поворотов и т.п. Вы можете сравнить трассы двух го
Таблица СР37-3: Мощностные характеристики двигателей Скакуна и Мерина
Скакун
Мерин
Диапазон частот
На 50% выше у Скакуна
Максимальный
крутящий момент
На 40% больше у
Мерина
Максимальная
мощность
Одинакова
Таблица СР37-4: Сравнительные характеристики мощностей двух автомобилей
Скакун
Мерин
Пиковая мощность
Средняя мощность (во всем
диапазоне оборотов)
Средняя мощность (от оборотов
холостого хода до номинальных
оборотов)
Средняя мощность (от
номинальных оборотов до
максимальных оборотов)
Средняя мощность (80%
мощностного диапазона)
Масса обоих автомобилей одинакова, и составляет
1360 кг, поэтому у обеих машин отношение пиковой
мощности к весу тоже одинаково, и составляет 312,5
л.с. на тонну.
Для Мерина было выбрано передаточное число глав
ной передачи 3,55:1, а для Скакуна передаточное от
ношение главной передачи составило 5,325:1.
Выбор передаточного числа главной передачи Скаку
на обусловлен более высокими оборотами двигателя.
Таблица СР37-5
Скакун
Мерин
Передаточные
отношения КПП
Передаточное число
главной (финальной)
передачи
Вес автомобиля
Опираясь на все ранее полученные данные можно
представить графические зависимости скоростей по
времени для обоих автомобилей.
Важно отметить, что в начале статьи мы оговорили
некоторые допущения, в частности, договорились иг
норировать аэродинамическое и иное сопротивление
движению.
Ниже приведены графики ускорения Скакуна и Ме
Рисунок СР37-38: Графики зависимости скорости по
времени для Скакуна и Мерина. Наклон графика относи
тельно оси времени представляет ускорение автомобиля;
источник:
craig.back�re
Скакун развил изрядное ускорение, сравнявшись по
ускорению с Мерином после достижения скорости 60
С тем набором зубчатых колес, которые имеются у
водителя для введения в зацепление при переключе
нии передач, водитель разгоняет двигатель Скакуна
до более высоких, чем у двигателя Мерина оборотов,
получая по возможности наиболее высокий крутящий
момент, передаваемый на колеса. Теперь, после до
стижения скорости 60 км/ч, Скакун способен идти на
равных с Мерином, но до момента достижения этой
скорости уже произошло отставание Скакуна от Ме
Скакун смог бы сократить отставание, если бы в его
коробке передач были изменены передаточные отно
шения в сравнении с КПП Мерина.
Ну а теперь, для наглядности, рассмотрим вариан
ты комплектации рассмотренных ранее автомобилей
Скакун и Мерин различными коробками передач с
разными вариантами передаточных отношений.
На оба автомобиля будем устанавливать вначале 3-сту
пенчатые автоматические коробки передач
350; а
затем и 6-ступенчатые механические коробку передач
56, и проведем анализ, какие преимущества и недо
статки получат от этого Скакун и Мерин.
Передаточные числа КПП
Tremec
:1-я 2,66;
2-я 1,78, 3-я 1,30; 4-я 1,00; 5-я 0.80; 6-я
0.63; передача заднего хода 2,90.
Передаточные числа АКПП
350: 1-я 2,52; 2-я
Следует отметить, что в этих коробках передач будут
различные потери, включая: гидравлические потери,
механические потери; тепловые потери, но мы дого
ворились их не учитывать.
Автомобили будут комплектоваться главными (фи
нальными) передачами с передаточными отношения
ми 5,67:1 и 3,73:1, и мы проведем сравнение динами
ческих характеристик автомобилей с этими главными
передачами.
Для Мерина будет интересно увидеть выгоду от при
менения финальных передач с различными переда
точными отношениями.
Тем не менее, эта «гонка вооружений» не может про
должаться долго, так как, увеличивая крутящий мо
мент, поступающий на колеса, мы вынуждены увели
чивать скорость вращения коленчатого вала, и это вы
зовет ответное увеличение оборотов двигателя, при
котором происходит «подхват» следующей передачи.
Если переключение передачи производить после до
стижения предельно высоких оборотов двигателя,
вращающиеся с высокой скоростью колеса автомоби
ля не позволят снизить частоту вращения коленчатого
вала до оборотов холостого хода. Отсюда следует, что
чем выше скорость, при которой будет производить
ся переключение передачи, тем дальше от оборотов
холостого хода будут сдвигаться обороты перехода
на более высокую передачу. Если вернуться к рисун
ку СР37-35 и СР37-36, можно понять, что задержка
в переключении передач на более высокую передачу,
например, до 5000 оборотов в минуту, для Мерина эти
обороты являются номинальными, когда мощность
достигла максимума, и дальнейшее повышение обо
ротов снижает эффективную мощность двигателя.
Для Скакуна переключение на 5000 оборотах в ми
нуту – не критично, поскольку у его двигателя даль
нейшее увеличение скорости вызовет увеличение
мощности. Для Скакуна 5000 оборотов – это только
половина полной мощности двигателя, и ускорение
Скакуна после 5000 оборотов будет интенсивно нара
стать, в то время, как у Мерина из-за снижения мощ
ности при увеличении оборотов более 5000, значение
ускорения будет постепенно снижаться.
Сам процесс переключения передач потреблять дра
гоценное время. Двигатель с широким диапазоном
мощности может обеспечить меньшее количество пе
реключений передач во время гонок, что может дать
значительное преимущество.
Если оба автомобиля оснастить бесступенчатой транс
миссией (вариатором), который позволяет получить
бесконечное множество передаточных отношений,
при этом на переключения передач время не затрачи
вается, двигатели обоих автомобилей работали бы на
скоростях, соответствующих пиковой мощности, и ни
один из автомобилей не получил бы какого-либо пре
имущества от применения различных двигателей.
Экзотичный суперкар, такой как
Lamborghini
Murcielago
, имеет такой широкий диапазон мощно
сти, что он способен достичь максимального ускоре
ния практически на любых оборотах двигателя. Это
значит, что автомобиль способен разогнаться от 0 до
100 км/ч практически на одной передаче. Отсюда
столь
разгонные
характеристики
боль
шинства суперкаров
Но вернемся к нашим Скакунам и Меринам, и по
ставим их на дорогу, чтобы понять, как они смогут
сформировать тяговую силу, которая разгоняет авто
Для простоты сравнения оба пилота начнут гонку с
ходу, то есть каждый автомобиль будет начинать от
счет ускорения после достижения скорости 30 км/ч, и
эта скорость будет служить точкой отсчета, и каждое
последующее переключение передач будет произво
диться после достижения «красной линии», то есть
предельной величины оборотов.
«Красной линией» двигателя называют максималь
ную частоту вращения коленчатого вала, при кото
рой не происходит повреждения компонентов двига
теля и его деталей.
Рисунок СР37-39: Предельные обороты дви
гателя на тахометре обозначены красным
цветом. Разгон коленчатого вала двигателя
до красной линии возможен, но обороты
выше красной линии обычно ограничива
ются отсечкой топливоподачи в цилиндры
двигателя; источник:
Максимальная скорость будет засчитана по дости
жении красной линии оборотов на высшей передаче,
причем, мы договорились, что аэродинамические и
прочие потери игнорируются.
Гонки автомобилей начнем с установкой старой,
3-ступенчатой автоматической трансмиссии, и глав
ной передачи с передаточным числом 3,73:1.
Заметьте, что Мерин имеет существенное преимуще
ство при разгоне на 1-ой передаче, однако преимуще
ство все больше и больше утрачивается при последу
ющих переключениях передач. Это происходит из-за
того, что двигатель при переключении передач не воз
вращается к оборотам холостого хода, а «подхваты
вает» следующую передачу на скорости, около 3600
оборотов в минуту.
Двигатель Скакуна тоже остаётся на высоких обо
ротах после первого переключения передачи, и если
вернуться к рисунку СР37-37, станет понятно, что
двигатель Скакуна имеет достаточный запас мощно
сти, начиная с этих оборотов.
Рисунок СР37-40: Для сравнения оснастили Мерина
и Скакуна 3-ступенчатой АКПП
350 и главной пе
редачей с отношением 3,73:1. Сила тяги на задних
ведущих колесах будет изменяться, в соответствии
с кривой крутящего момента. Вертикальные линии
– переключение передач при достижении красной
линии оборотов двигателя, причём, будем считать,
что переключения происходят мгновенно; источник:
craig.back�re
Так же заметьте, что водитель Мерина произвёл пе
реключение с 1-ой на 2-ю передачу раньше водителя
Скакуна, и его автомобиль имеет примерно такое же
ускорение в районе 60…65 и 100…115 миль в час, ка
ким обладает Скакун.
Теперь перейдем к более современной коробке пере
дач. Оснастим оба автомобиля 6-ступенчатой короб
кой передач
Tremec
56, у которой шаг изменения
передаточных отношения всех ступеней близок по
величине.
Рисунок СР37-41: Теперь для сравнения оснастим Ме
рина и Скакуна 6-ступенчатой коробкой передач
Ter
56, оставив ту же самую главную передачу с от
ношением 3,73:1. Отметим, что небольшая разница в
передаточных отношениях сократила перепад мощно
сти при переключениях передач для обоих двигателей,
особенно для Мерина; источник:
craig.back�re
На определенных оборотах Скакун сумел догнать
Мерина. С малым шагом передаточных отношений в
6-ступенчатой трансмиссии Скакун сумел удержать
обороты двигателя близкими к максимальной мощ
ности, и это помогло сократить разрыв. Оставшиеся
провалы после каждого переключения передач Скаку
на показывают эффект от применения многоскорост
ной трансмиссии
Скакун все ещё отстаёт от Мерина на низких ско
ростях движения, но у него есть «козырь в рукаве».
Скакун собирается установить ведущий мост с пере
даточным отношением 5,67:1, оставив в неведении
Мерина.
Рисунок СР37-42: Графическая зависимость тяговой
силы по отношению к скорости автомобилей, осна
щенных следующим образом: оба автомобиля имеют
6-ступенчатую КПП
Tremec
56, но у Мерина главная
передача 3,37:1, а у скакуна 5,67:1. Обратите внима
ние, что оба водителя стали переключать передачи в
одно и то же время, и былое преимущество Мерина
исчезло; источник:
craig.back�re
АНИЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ СОРЕВНОВАНИЙ И
ВЫРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ
УСКОРЕНИЕ НА НИЗКОЙ СКОРОСТИ
Результаты гонки между Мерином и Скакуном пока
зали, что Мерин имел значительное преимущество
перед Скакуном при разгоне от старта до 100 км/ч.
При скорости выше 100 км/ч Скакун получил воз
можность раскручивать коленчатый вал в диапазоне
мощностей, близких к максимальному значению, и
обе машины имели одинаковое ускорение вплоть до
скорости 215 км/ч. В драг-рейсинге Скакун проиграл
бы гонку Мерину, но при трековой гонке различие
возможностей Скакуна и Мерина будут незначитель
Таким образом, можно констатировать, что автомо
биль, предназначенный для движения в широком
диапазоне скоростей, должен иметь очень широкий
диапазон мощности. Автомобиль с узким диапазоном
скоростей не способен работать в широком диапазоне
скоростей.
СДВИГ ТОЧКИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ПЕРЕДАЧ
Во время виртуальной гонки Мерина со Скакуном
водители обеих машин производили переключение
передач по достижения коленчатым валом двигателя
оборотов «красной линии». В реальных гонках пере
ключение передач раньше достижения красной линии
бывает полезным для ускорения.
Водитель автомобиля с двигателем, у которого кривая
мощности начинает «отваливаться» на очень высоких
оборотах, должен переключать передачи раньше, что
бы позволить двигателю довести обороты до тех зна
чений, где двигатель выдает больше мощности. Точка
переключения передач должна быть выбрана таким
образом, чтобы двигатель мог поставлять колесам са
мую высокую мощность.
В первой гонке между Скакуном и Мерином оба авто
мобиля были оснащены 3-скоросной автоматической
трансмиссией с широким шагом диапазона скоростей.
Высокооборотный двигатель с узким диапазоном
мощности нуждается в коробке передач с малым ша
гом передаточных отношений, и повышающей пере
дачей, так чтобы водитель смог максимально исполь
зовать узкий диапазон мощности, чтобы пик мощно
сти двигателя как можно лучше соотносился со ско
ростью автомобиля.
УПРАВЛЯЕМОСТЬ
Управляемость – это субъективный показатель, ис
пользуемый для описания способности доступа к ис
пользованию мощности двигателя.
Атмосферный двигатель с широким диапазоном мощ
ности будет иметь очень хорошую управляемость;
резкое нажатие на педаль акселератора на любой ско
рости на любой передаче должно принести разумное
ускорение.
С другой стороны, автомобиль с узким диапазоном
мощности не может рассматриваться, как обладаю
щий хорошей управляемостью. Во время совершения
обгона при движении по шоссе водителю такого авто
мобиля часто приходится переходить на более низкую
передачу, чтобы получить доступ к высокой мощно
сти двигателя.
Это одна из причин, по которой автомобили преми
ум класса часто оснащаются большим, атмосферным
или турбированым двигателем, в то время как малень
кие турбированные двигатели не так распространены,
и часто встречаются в более ориентированных на ак
тивный отдых спортивных автомобилях, где выдаю
щаяся управляемость не ожидается и/или требуется.
Часто в описании двигателя применяется термин
«приемистый». Этот термин относится к автомобиль
ным двигателям с хорошей управляемостью, широ
ким диапазоном мощностей или высокой мощностью
на низких оборотах коленчатого вала.
» Приспособленность к уличному дви
жению – это еще один термин, который часто исполь
зуется для описания двигателей, которые наряду с
вышеуказанными характеристиками, обладают устой
чивыми оборотами холостого хода, и хороший запуск
при очень холодных температурах.
ВЫСОКИЙ КРУТЯЩИЙ МОМЕНТ В ЗАВИСИ
МОСТИ ОТ ВЫСОКИХ ОБОРОТОВ ДВИГАТЕ
Крутящий момент, который двигатель может произ
водить, в некотором роде связан с объемом двигателя.
Двигатели большого рабочего объема, как правило,
тяжелы, что делает их непригодными для установки
на легкие спортивные автомобили. Именно поэтому
многие спортивные автомобили оснащены двигате
лями с малым рабочим объемом, высокими скоро
стями вращения коленчатого вала, и довольно часто
– оснащенных устройствами принудительного над
дува для получения высокой мощности. Кроме того,
классификация гоночных автомобилей, допускаемых
к соревнованиям, опирается на ограничения по рабо
чему объему, и единственным способом производства
большой мощности является высокие обороты и над
Двигатель с большим рабочим объёмом способен
продуцировать мощность более стабильно, чем ма
ленькие двигатели, но не обязательно. Но все же су
ществует множество больших, но «бесхарактерных»
двигателей, совсем не предназначенных для спортив
ных автомобилей.
Тяжелые автомобили почти всегда оснащаются дви
гателями с большим рабочим объемом, поскольку им
нужна большая мощность на низких оборотах колен
чатого вала, и очень низких скоростях движения.
Так как вес современных транспортных средств все
больше и больше увеличивается, способность к раз
гону от старта до скорости движения в населенных
пунктах становится все более актуальной.
ВЫВОД
Для того, чтобы быстро разгонять автомобиль, не
обходимо, чтобы двигатель мог поставить большую
мощность на той скорости, с которой движется авто
Количество мощности определяет величину тяговой
силы, которую двигатель может поставить к колесам
автомобиля, причем, оценивается возможность по
ставки большой тяговой силы как на низких скоро
стях движения, так и на высоких скоростях.
Не имеет принципиального значения, имеет двигатель
большую мощность на высоких оборотах, и насколь
ко велик крутящий момент, создаваемый двигателем
на низких оборотах, современная многоскоростная
трансмиссия и правильный подбор передаточного чи
сла главной передачи откорректирует возможности
любого двигателя. Ну а применение гибридного си
лового агрегата на электрических гибридных автомо
билях позволяет получить очень высокий крутящий
момент на низких скоростях, но об этом – в другой
статье.
Поэтому предлагаю откорректировать фразу Кэр
ролла Шелби так: «Пиковая мощность продаёт
автомобили, а большой диапазон мощности выиг
рывает гонки»
Поскольку значения максимального крутящего мо
мента и мощность могут дать только общее представ
ление о возможностях автомобиля, лучшим способом
хорошего сравнения между автомобилями – жить в
мире автомобильных гонок, чаще заглядывать в ко
нюшни спортивных команд, искать и находить нуж
ную информацию, считать и воплощать расчеты в
металл! А главное – настойчиво и прилежно учиться,
поскольку «
Материал для Вас подобрал, перевел и
пересказал Дмитрий Титаренко
В основу легли материалы с сайта:

Приложенные файлы

  • pdf 9552400
    Размер файла: 1 023 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий